Nouveau détecteur d'haleine pour maladie qui renifle en temps réel COVID, pourrait être utilisé pour détecter le cancer, les maladies pulmonaires.

10 mai 2023

Cet article a été examiné conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont souligné les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

• vérifié par des faits
• publication évaluée par des pairs
• source de confiance
• relecture effectuée

par Lisa Marshall, University of Colorado à Boulder

À chaque respiration, les humains expirent plus de 1 000 molécules distinctes, produisant une empreinte chimique unique ou un « empreint de respiration » riche en indices sur ce qui se passe à l'intérieur du corps.

Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché à exploiter ces informations, se tournant vers des chiens, des rats et même des abeilles pour renifler littéralement le cancer, le diabète, la tuberculose et plus encore.

Des scientifiques de CU Boulder et de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont fait un important bond en avant dans la quête de diagnostic des maladies en utilisant l'haleine exhalée, en signalant qu'un nouveau détecteur d'haleine basé sur un laser alimenté par l'intelligence artificielle (IA) peut détecter la COVID-19 en temps réel avec une excellente précision.

Les résultats ont été publiés le 5 avril dans le Journal of Breath Research.

« Nos résultats démontrent la promesse de l'analyse de l'haleine comme test alternatif, rapide et non invasif pour la COVID-19 et mettent en évidence son remarquable potentiel pour diagnostiquer diverses affections et états pathologiques », a déclaré le premier auteur Qizhong Liang, doctorant à JILA et au département de physique de CU Boulder. JILA est un partenariat entre CU Boulder et NIST.

L'équipe pluridisciplinaire de physiciens, biochimistes et biologistes se concentre maintenant sur une large gamme d'autres maladies dans l'espoir que le « breathalyzer à peigne de fréquence » - né de la technologie primée du Nobel de CU  - pourrait révolutionner le diagnostic médical.

« Il y a un véritable avenir prévisible dans lequel vous pourriez aller chez le médecin et avoir votre respiration mesurée avec votre taille et votre poids... Ou vous pourriez souffler dans un embout buccal intégré à votre téléphone et obtenir des informations sur votre santé en temps réel », a déclaré l'auteur principal Jun Ye, chercheur à JILA et professeur adjoint de physique à CU Boulder. « Le potentiel est sans fin. »

Aussi loin qu'en 2008, le laboratoire de Ye a rapporté qu'une technique appelée spectroscopie à peigne de fréquence - utilisant essentiellement la lumière laser pour distinguer une molécule d'une autre - pourrait potentiellement identifier des biomarqueurs de la maladie dans l'haleine humaine.

La technologie manquait de sensibilité et, surtout, de la capacité à lier des molécules spécifiques aux états pathologiques, donc ils ne l'ont jamais testée pour le diagnostic des maladies.

Mais l'équipe de Ye a depuis amélioré la sensibilité d'un facteur mille, permettant la détection de molécules à l'état de trace au niveau des parties par billion. Ils ont également exploité la puissance de l'IA.

« Les molécules augmentent ou diminuent en concentration lorsqu'elles sont associées à des conditions de santé spécifiques », a déclaré Liang. « L'apprentissage automatique analyse cette information, identifie des motifs et élabore des critères que nous pouvons utiliser pour prédire un diagnostic. »

Avec le SARS-CoV-2 se propageant à travers le pays et la frustration montant à propos des longs temps de réponse pour les tests existants, le moment était venu de tester le système sur des personnes. En tant que physicien, Ye n'avait jamais travaillé avec des sujets humains, il a donc demandé de l'aide à l'Institut BioFrontiers de CU, une plateforme interdisciplinaire de recherche biomédicale qui dirigeait le programme de dépistage COVID sur le campus.

Entre mai 2021 et janvier 2022, l'équipe de recherche a recueilli des échantillons d'haleine de 170 étudiants de CU Boulder qui avaient, au cours des 48 heures précédentes, subi un test de réaction en chaîne de la polymérase (PCR), en soumettant un échantillon de salive ou un échantillon nasal.

La moitié avait été testée positive, l'autre négative. (Pour des raisons de sécurité, les participants volontaires sont venus dans un parking extérieur du campus, ont soufflé dans un sac de collecte d'échantillons et l'ont laissé à un technicien de laboratoire qui les attendait à une distance sécuritaire.)

Dans l'ensemble, le processus a pris moins d'une heure depuis la collecte jusqu'au résultat.

Comparés à la PCR, le test COVID standard de référence, les résultats du breathalyzer correspondaient 85% du temps. Pour le diagnostic médical, une précision de 80% ou plus est considérée comme « excellente ».

Les chercheurs suspectent que la précision aurait probablement été plus élevée si les échantillons de respiration et d'échantillons de salive/nasal avaient été collectés en même temps.

Contrairement à un échantillon nasal, le détecteur d'haleine est non invasif. Et contrairement à un échantillon de salive, les utilisateurs ne sont pas invités à s'abstenir de manger, de boire ou de fumer avant de l'utiliser. Il ne nécessite pas de produits chimiques coûteux pour décomposer l'échantillon. Et le nouveau test pourrait, concevablement, être utilisé sur des personnes qui ne sont pas conscientes.

Mais il reste encore beaucoup à apprendre, a déclaré Ye.

'With one breath, we can collect so many data points from you, but then what? We only understand how a few molecules correlate with specific conditions,' Ye said.

Today, the 'breathalyzer' consists of a complex array of lasers and mirrors about the size of a banquet table.

A breath sample is piped in through a tube as lasers fire invisible mid-infrared light at it at thousands of different frequencies. Dozens of tiny mirrors bounce the light back and forth through the molecules so many times that in the end, the light travels about 1.5 miles.

Because each kind of molecule absorbs light differently, breath samples with a different molecular make-up cast distinct shadows. The machine can distinguish between those different shadows or absorption patterns, boiling millions of data points down to—in the case of COVID—a simple positive or negative, in a matter of seconds.

Efforts are already underway to miniaturize such systems to a chip scale, allowing for what Liang imagines as 'real-time, self-health monitoring on the go.' The potential does not end there.

'What if you could find a signature in breath that could detect pancreatic cancer before you were even symptomatic. That would be the home run,' said molecular biologist and co-author Leslie Leinwand, chief scientific officer for BioFrontiers and a co-author on the study

Elsewhere, scientists are working to develop a Human Breath Atlas, which maps each molecule in the human exhale and correlates them with health outcomes. Liang hopes to contribute to such efforts with a larger-scale collection of breath samples.

Meanwhile, the team is collaborating with pediatric and respiratory specialists at the CU Anschutz Medical Campus to explore how the breathalyzer can not only diagnose diseases but also enable scientists to better understand them, offering hints about immune responses, nutritional deficiencies and other factors that could contribute to or exacerbate illness.

'If you think about dogs, they evolved over thousands of years to smell many different things with remarkable sensitivity,' said Ye. 'We are just at the very beginning of training our laser-based nose. The more we teach it, the smarter it will be come.'

Journal information: Journal of Breath Research

Provided by University of Colorado at Boulder